KR102499592B1 - 전기적 신경자극 시스템 및 이를 이용한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기적 신경자극 시스템으로서, 피하에 매립되며, 미리 설정된 전기자극을 신경에 인가하는 전자약; 상기 전자약에 전원을 제공하는 메인전원모듈로서, 외부의 무선충전모듈로부터 무선으로 전원을 공급받아 반복적인 충전이 가능한 이차전지로 구성된, 메인전원모듈; 및 마찰소자모듈을 이용하여 실시간 자가발전을 하도록 구성된 에너지 하베스터모듈로서, 상기 메인전원모듈과 전기적으로 연결되어 상기 메인전원모듈을 보조적으로 충전하는, 에너지 하베스터모듈; 을 포함하는, 전기적 신경자극 시스템을 제공한다.

Description

전기적 신경자극 시스템 및 이를 이용한 방법{Electrical neurostimulus system and method using the same}

본 발명은 전기적 신경자극 시스템 및 이를 이용한 방법에 관한 기술이다.

전자약은 전자(electronics)와 약품(pharmaceutical)의 합성어로 뇌와 신경세포에서 발생하는 전기신호를 조절하여 질병을 치료하는 전자장치를 의미한다.

오늘날 전자약은 주로 신경에서 발생되는 장애나 문제를 개선하기 위하여 사용되고 있다. 전자약의 원리는 인위적으로 또는 신체 신호에 반응하여 생성되도록 설계된 장치를 통해 발생되는 전기 신호로 신경을 포함한 다양한 세포-조직-장기 등을 자극하여 병태 생리환경을 개선 또는 정상화 한다는 개념이다.

체내에서 자유이온들과 쌍극자, 분극 분자들은 세포와 조직, 기관이 전기를 생성하고 전도할 수 있게 한다. 미세한 생체 전기가 생리 현상을 조절하고 생명 유지에 중요한 역할을 한다. 생체에서 항상성 유지와 조화는 전기신호와 화학신호에 의해 조절되며 전기신호와 화학신호는 상호 교류한다. 전기신호의 변화가 화학신호를 변경할 수 있고 화학신호가 전기신호를 변경할 수 있다.

전자약이 개발된 초기에는 심장박동기와 같은 단순한 형태의 이식형 의료기기가 주를 이루었다. 최근에는 뇌전증, 당뇨, 관절염, 고혈압 등 만성 질환을 치료하기 위해 신경조직을 자극하는 전자기기로 진화하고 있다.

종래에 사용되는 전통적인 약은 혈관을 타고 돌면서 원하지 않는 부위에서 부작용이 발생할 가능성이 있다. 반면에, 전자약은 치료가 필요한 특정 신경만 선택해 자극하기 때문에 인체에도 안전하다. 전자약은 피하에 매립되어 사용되는 바, 치료가 필요한 특정한 부분만을 골라서 자극하므로 부작용을 최소화 할 수 있고, 만일의 경우 약효를 즉시 중단할 수 있는 장점을 가지고 있다.

도 1에는 전자약이 류머티즘 관절염 치료에 사용되는 것을 보여준다.

아직까지 치료제가 개발되지 않은 류머티즘 관절염은 자가면역반응으로 발생하는 질병으로 알려져 있다. 류머티즘 관절염은 면역세포가 관절을 공격해 염증을 일으키면서 발생한다. 2012년 미국의 케빈트레이시 박사는 전자약으로 류머티즘 관절염 환자를 치료했다. 환자의 몸속에 전자약을 삽입해 비장(脾臟)을 관장하는 신경계에 전기신호를 인가함으로써, T세포 등 면역체계를 관장하는 세포 발생을 줄였다.

현재 개발된 전자약의 대부분은, 일차전지를 사용하고 있는 수준이다. 일차전지가 모두 방전할 경우, 새로운 일차전지로 교체가 필요한 바, 주기적으로 전지를 인체 외부로 인출하는 것이 강제되는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 종래기술로는, 본 출원인에 의한 등록특허인 한국등록특허 제10-2284290호가 개시된다. 상기 종래기술은 '무선충전이 가능한 뇌전증 치료용 전자약 및 이의 제어방법'에 관한 것이다. 무선 충전이 가능한 전자약 개념을 도입하였으며, 무선 충전과정에서 무선 충전기에 의해 발생되는 전자파 교란을 방지하는 구성을 개시한다. 종래기술의 구성은 일차전지를 사용함에 따른 문제를 일거에 해결했다는 점에서 큰 의미가 있다.

이차전지는 반복적인 충방전이 가능하긴 하나, 영속적이라고 볼 수는 없다.

따라서, 전자약의 영속적 기능을 유지하기 위하여 진정한 자체 전원 자급이 가능하도록 생체 에너지를 적절하게 수집할 수 있는 시스템을 갖추되, 크기도 소형화 하여야 하고, 안정성이 유지되는 전자약 개발이 시급한 실정이다.

(특허문헌 1) 한국등록특허 제10-2284290호

(특허문헌 2) 한국공개특허 제10-2017-0046593호

(특허문헌 3) 한국공개특허 제10-2022-0013777호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 전자약의 영속적 기능을 유지하기 위하여 진정한 자체 전원 자급이 가능하도록 생체 에너지를 적절하게 수집할 수 있는 시스템을 갖추되, 크기도 소형화 하여야 하고, 안정성이 유지되는 전기적 신경자극 시스템을 제안하고자 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 전기적 신경자극 시스템으로서, 피하에 매립되며, 미리 설정된 전기자극을 신경에 인가하는 전자약; 상기 전자약에 전원을 제공하는 메인전원모듈로서, 외부의 무선충전모듈로부터 무선으로 전원을 공급받아 반복적인 충전이 가능한 이차전지로 구성된, 메인전원모듈; 및 마찰소자모듈을 이용하여 실시간 자가발전을 하도록 구성된 에너지 하베스터모듈로서, 상기 메인전원모듈과 전기적으로 연결되어 상기 메인전원모듈을 보조적으로 충전하는, 에너지 하베스터모듈; 을 포함하는, 전기적 신경자극 시스템을 제공한다.

또한, 상기 메인전원모듈은, 상기 에너지 하베스터모듈로부터 전원을 공급받아 보조적으로 충전하는 제1 충전모드; 및 외부의 무선충전모듈로부터 무선으로 전원을 공급받아 충전하는 제2 충전모드; 를 포함하는 충전방식으로 구성되며, 상기 제1 및 제2 충전모드는, 상호 택일적으로 동작하도록 구성되되, 상기 제2 충전모드가 상기 제1 충전모드에 우선하도록 설정될 수 있다.

또한, 상기 메인전원모듈은, 상기 제1 충전모드로 동작시에는 방전모드로 동작되어 미리 설정된 전기자극을 신경에 인가하도록 구성되며, 상기 제2 충전모드로 동작시, 상기 전자약으로 전원공급이 중지되는 방전중지모드로 동작되되, 상기 제2 충전모드가 종료되면, 상기 전자약에 전원을 공급하는 방전모드로 동작될 수 있다.

또한, 상기 에너지 하베스터모듈의 전기적 용량은, 상기 메인전원모듈의 소모 전력량을 기준으로, 20 내지 30%의 전력량을 생성할 수 있는 용량으로 구성될 수 있다.

또한, 상기 메인전원모듈의 충방전 및 상기 에너지 하베스터모듈에 의한 충전을 제어하는 제어모듈; 을 더 포함하며, 상기 제어모듈은, 가. 체온센싱부에 의해 측정된 사용자의 체온정보를 이용하여, 상기 체온정보가 미리 설정된 기준값 이상일 경우; 나. 전지온도센싱부에 의해 측정된 상기 메인전원모듈의 온도정보를 이용하여, 상기 온도정보가 미리 설정된 기준값 이상일 경우; 및 다. 전류센싱부에 의해 측정된 상기 에너지 하베스터모듈의 전류정보를 이용하여, 상기 전류정보가 미리 설정된 기준값 이상일 경우; 중 적어도 어느 하나에 해당할 경우, 상기 에너지 하베스터모듈에 의한 충전을 중단하도록 설정될 수 있다.

또한, 상기 제어모듈은, 사용자단말과 통신 가능하도록 연결된 BMS부를 포함하며, 상기 BMS부는, 상기 메인전원모듈의 충방전정보 및 잔존용량정보(State Of Charge, SOC)를 획득하여 상기 사용자단말로 전송하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 BMS부는, 외부의 무선충전모듈 및 상기 메인전원모듈의 전기적 연결상태를 감지하며, 상기 전기적 연결상태와 실시간 충전정보를 사용자단말로 제공할 수 있다.

또한, 상기 BMS부는, 상기 메인전원모듈의 잔존용량정보가 미리 설정된 기준값 이하로 떨어지면, 상기 에너지 하베스터모듈에 의한 충전을 유도하는 알람을 사용자단말로 제공할 수 있다.

또한, 상기 제어모듈은, 사용자 신체의 진동을 감지하는 진동센서부를 더 포함하며, 상기 진동센서부를 통해 센싱된 진동값이 미리 설정된 기준값 이상일 경우,

상기 메인전원모듈이 외부의 무선충전모듈에 의해 충전 중인 상태이면, 상기 충전을 중지하고, 상기 에너지 하베스터모듈에 의해 상기 메인전원모듈을 충전하도록 제어할 수 있다.

한편, 본 발명은 전술한 전기적 신경자극 시스템을 이용하는 방법으로서, (a) 전자약으로부터 미리 설정된 전기자극이 사용자 신경에 인가되면서 메인전원모듈의 방전모드가 수행되는 단계; (b) 에너지 하베스터모듈에 진동이 인가되어 자가발전이 수행되는 단계로서, 상기 메인전원모듈을 충전시키는 제1 충전모드가 수행되는 단계; 및 (c) 상기 메인전원모듈의 잔존용량정보가 미리 설정된 기준값 이하로 떨어진 경우, 외부의 무선충전모듈로부터 무선으로 전원을 공급받는 제2 충전모드가 수행되는 단계; 를 포함하는, 방법을 제공한다.

또한, 상기 (c) 단계에서, 상기 제2 충전모드가 수행되는 경우, 상기 메인전원모듈로부터 상기 전자약으로 전원공급이 중지되는 방전중지모드로 동작될 수 있다.

본 발명의 효과는 다음과 같다.

본 발명은 전자약의 영속적 기능을 유지하기 위하여 진정한 자체 전원 자급이 가능하도록 생체 에너지를 적절하게 수집할 수 있는 시스템을 갖출 수 있다.

도 1은 종래기술로써, 전자약을 이용하여 전기적 신경자극을 수행하는 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기적 신경자극 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명인 전기적 신경자극 시스템의 에너지 하베스터모듈의 자가발전원리를 개략적으로 도시하는 모식도이다.
도 4는 본 발명인 전기적 신경자극 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 5는 본 발명인 전기적 신경자극 시스템의 메인전원모듈의 충전방식을 모드로 구분하여 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명인 전기적 신경자극 시스템의 제어모듈의 기능을 나타내는 모식도이다.
도 7은 본 발명인 전기적 신경자극 시스템을 이용하는 방법의 순서도이다.
도 8은 본 발명인 에너지 하베스터모듈이 적용된 전기적 신경자극 시스템(제2 실시예)의 개념도이다.
도 9는 본 발명인 에너지 하베스터모듈의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 10은 전기적 신경자극 시스템의 제2 실시예에 따른 전체 구성도이다.
도 11은 본 발명인 에너지 하베스터모듈의 개략적인 모식도이다.
도 12는 본 발명인 에너지 하베스터모듈의 변형예를 도시하는 모식도이다.
도 13은 본 발명인 에너지 하베스터모듈이 적용된 전기적 신경자극 시스템의 개략적인 모식도이다.
도 14는 도 13의 에너지 하베스터모듈의 단면을 도시한다.
도 15는 본 발명인 에너지 하베스터모듈을 이용하는 방법의 순서도이다.
도 16은 본 발명에 따른 전자약 모니터링 시스템의 개념도이다.
도 17는 본 발명에 따른 전자약 모니터링 시스템의 전체적인 구성을 나타내는 구성도이다.
도 18은 본 발명의 제어모듈에 대한 기능을 개략적으로 설명하는 모식도이다.
도 19는 본 발명의 제어모듈을 이용하여 무선충전시기를 판단하는 과정을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 20은 본 발명의 제어모듈을 이용하여 사용자가 전자약에 대한 다양한 정보를 모니터링하는 과정을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 21은 본 발명인 전자약 모니터링 시스템을 전자처방에 적용하는 것을 개략적으로 나타내는 모식도이다.
도 22는 본 발명인 전자약 모니터링 시스템 서버를 나타내는 블록도이다.

이하, 본 발명의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 본 발명은 특정 실시예에 대해 한정되지 아니며, 본 발명의 실시예들의 다양한 변경(modification), 균등물(equivalent), 및/또는 대체물(alternative)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.

본원에서, "가진다", "가질 수 있다", "포함한다", 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.

본원에서, "A 또는 B", "A 또는/및 B 중 적어도 하나", 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.

본원에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본원에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.

본원에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본원에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다.

본원에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본원에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본원에서 정의된 용어일지라도 본원의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.

이하 첨부된 도면 및 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 하며, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대해 상세한 설명을 생략하였다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명은 도 1에서 예시적으로 설명된 류머티즘 치료에 제한되는 것은 아니다. 우울장애(depressive disorder), 파킨슨병(Parkinson's) 등과 같이, 전기적 신경치료를 수행할 수 있는 모든 질병에 적용될 수 있음을 미리 명시하는 바이다.

에너지 하베스터모듈이 구비된 전기적 신경자극 시스템

이하에서는 도 2 내지 7을 참조하여, 전기적 신경자극 시스템(100)을 설명한다.

본 발명에 따른 전기적 신경자극 시스템(100)은 전자약(110), 메인전원모듈(120), 에너지 하베스터모듈(130) 및 제어모듈(140)로 구성된다. 개별 구성들의 기능을 중심으로 구분한 것인 바, 물리적으로는 통합된 단일의 형태로 구성될 수 있다.

다시 말해, 본 발명의 메인전원모듈(120) 및 에너지 하베스터모듈(130)은 전자약(110)을 구획하는 하우징 내부 뿐만 아니라, 전자약(110) 외측에 위치될 수도 있다.

본원에서는 이해의 편의를 위해, 구성을 구분하여 설명하며, 제어모듈(140)에 대해서는 별도로 자세히 설명한다.

본 발명에 따른 전기적 신경자극 시스템(100)은, 무선충전이 가능한 이차전지(122)를 적용함과 동시에, 실시간 자가발전이 가능한 에너지 하베스터모듈(130)을 적용한 것이다. 즉, 이차전지(122) 및 에너지 하베스터모듈(130)을 하이브리드 방식으로 사용하는 것을 특징으로 한다.

전자약(110)은 피하에 매립되어 신경에 전기자극을 제공하는 구성이다. 이를 위해, 전자약(110)의 일측에는 제2 채널라인(101)이 구비된다. 전자약(110)은 외관을 형성하는 하우징 및 전기자극발생부(112)를 포함한다. 제2 채널라인(101)은 전기자극발생부(112)에서 발생된 전기신호를 신경에 전달하도록 구성된다.

전기자극발생부(112)는 PCB(Printed Circuit Board)를 포함할 수 있다. 또한, 무선충전모듈(10)에 의한 충전시 PCB가 교란될 수 있는 바, 전자파를 차폐하는 구조 및 소재가 적용될 수 있다. 상기 소재는 무독성의 알루미나세라믹(Al203) 또는 티타늄(Ti)과 같은 금속, 무독성 아크릴 수지, 나일론, 테플론, 폴리우레탄, 폴리에스테르 등과 같은 합성수지, 실리콘 중 적어도 어느 하나일 수 있다.

메인전원모듈(120)은 이차전지(122) 및 무선전력수신부(124)를 포함한다. 이차전지(122)의 일 예시로는, 325mAh(nominal 3.6V)의 용량이 적용될 수 있다. 다양한 형태의 이차전지가 적용될 수 있다. 원통형, 각형, 파우치형 전지 등 설계자의 선택에 따라, 최적의 형태가 적용될 수 있다.

일 예시로써, VNS(Vagus Nerve Stimulation, 미주신경자극) 배터리는 일상 생활에서 60 내지 100uWh의 전력을 소모할 수 있다. 이차전지(122)는 이러한 전력사용량을 고려한 용량으로 설계되는 것이 바람직하다.

메인전원모듈(120)은 무선전력수신부(124)를 포함한다. 외부의 무선충전모듈(10)로부터 무선으로 전원을 공급받도록 구성된다. 이 때, 무선충전모듈(10)은 외부의 전원에 연결된 상태에서 사용될 수도 있으나, 꼭 이에 제한되는 것은 아니다. 무선충전모듈(10)이 에너지 저장소자일 경우, 외부의 전원(플러그)에 연결됨 없이, 무선충전모듈(10)이 저장하는 전기에너지를 무선으로 공급하도록 구성될 수 있다.

전자약(110) 하우징 내부에서, 무선전력수신부(124)는 격벽형태의 이너쉴드(미도시) 내측에 구비됨으로써, 다른 소자들과 격리되는 것이 바람직하다.

에너지 하베스터모듈(130)은 마찰소자모듈을 이용하여 실시간 자가발전을 하도록 구성된다. 에너지 하베스터모듈(130)은 사용자의 체내에 삽입되는 소자인 바, 사용자의 움직임이 발생할 경우, 에너지 하베스터모듈(130)에도 소정의 진동(또는 외력)이 인가될 수 있다.

에너지 하베스터모듈(130)의 원리는 도 3에 도시된 바와 같다.

마찰소자모듈(132)은 도 3의 도시된 레이어 어셈블리 형태를 의미할 수 있다. 마찰소자모듈(132)은 마찰소자를 이용하여 비선형적 전기 에너지를 발전시킨다. 이러한 마찰소자는 TENG(Triboelectric Nano-Generator)일 수 있다.

하베스터부(134)는 마찰소자모듈(132)을 통해 발전된 비선형적 전기 에너지를 다단계로 구성된 에너지 저장소(미도시)에 순차적으로 저장시키고, 에너지 저장소에 저장된 에너지를 공급하도록 구성될 수 있다. 이 때, 에너지 저장소는 배터리와는 상이한 구성으로서, 전자회로와 일체로 구성된 에너지 저장 공간이 작은 에너지 저장소를 의미한다.

도 3을 참조하면, 서로 다른 레이어가 접촉하면(contact) 마찰 대전에 의해 표면이 대전되는 현상이 나타난다. 본 발명은 멀티 레이어를 통해 수행될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해, 두 레이어(double layered)의 예시를 들어 설명하나, 이는 멀티 레이어에 모두 적용될 수 있는 개념이다.

구체적으로, 두 레이어가 분리되면(separation) 정전기 유도 현상에 의해 위·아래 전극에 보상 전하가 축적되고, 이에 따라 전하 균형이 맞을 때까지 외부 전극을 통해 전류가 흐르게 된다. 두 물질이 다시 가까워지면 축적되었던 보상 전하가 사라짐으로써 처음과는 반대 방향의 전류가 외부 전극을 통해 흐르게 되며, 반복되는 접촉 및 분리과정을 통해 양 전극 간에 지속적으로 교류 전류(Alternating Current)가 흐르게 되는 원리이다.

에너지 하베스터모듈(130)은 메인전원모듈(120)과 전기적으로 연결되며, 메인전원모듈(120)을 보조적으로 충전하도록 구성된다. 메인전원모듈(120)의 이차전지(122)는 무선충전모듈(10) 및 에너지 하베스터모듈(130)에 의해 하이브리드 방식으로 충전 가능할 수 있다.

일 예시로써, 에너지 하베스터모듈(130)은 20uWh의 에너지를 생성하도록 구성될 수 있고(하베스터 크기 100mm2 기준), 이차전지(122)의 소모전력의 20 내지 30%를 상시 보상할 수 있는 용량으로 설계될 수 있다. 이는 이차전지(122)의 용량을 기준으로, 약 2% 정도의 용량으로 설계되는 것을 의미한다.

메인전원모듈(120)은 외부의 무선충전모듈(10)로부터 주로 전력을 공급받는 바, 에너지 하베스터모듈(130)은 메인전원모듈(120)을 보조적으로 충전하는 역할을 수행한다. 에너지 하베스터모듈(130)의 전력공급량은 상대적으로 그리 큰 비율은 아니지만, 사용자의 움직임에 대응하여 지속적으로 전기에너지를 생산하여 공급할 수 있다는 점에서 큰 효과가 있다.

이하에서는, 도 4 내지 7을 참조하여, 제어모듈(140)에 의한 메인전원모듈(120) 및 에너지 하베스터모듈(130)의 제어를 상세히 설명한다.

제어모듈(140)은 메인전원모듈(120) 및 에너지 하베스터모듈(130)의 충전을 제어한다.

도 5를 먼저 참조하여 설명한다. 메인전원모듈(120)을 기준으로, 메인전원모듈(120)이 에너지 하베스터모듈(130)로부터 전력을 공급받는 '제1 충전모드' 및 메인전원모듈(120)이 무선충전모듈(10)로부터 전력을 공급받는 '제2 충전모드'로 구분된다.

여기서, 제1 및 제2 충전모드는 상호 택일적으로 동작되는 것이 바람직하다. 즉, 메인전원모듈(120)은 에너지 하베스터모듈(130) 및 무선충전모듈(10)에 의해 동시에 충전되지 않도록 구성될 수 있다. 충전 효율 및 용량을 고려할 때, 무선충전모듈(10)에 의한 충전이 일반적으로 더 많은 전력을 공급받을 수 있는 바, 제2 충전모드가 제1 충전모드에 우선하는 것으로 설정될 수 있다.

전자약(110)의 전기자극발생부(112)는 전기자극신호를 발생하면서, '방전모드'가 수행될 수 있다. 방전모드는 메인전원모듈(120) 또는 에너지 하베스터모듈(130)의 전기에너지가 소모되는 것을 의미한다.

에너지 하베스터모듈(130)은 상시 충전 가능하도록 구성되는 것이 효율적인 바, 제1 충전모드 동작시에는 방전모드도 동시에 수행 가능하도록 설정되는 것이 바람직하다. 반면에, 제2 충전모드 동작시에는 방전중지모드로 동작되는 것이 바람직하며, 제2 충전모드가 종료되면(무선충전모듈(10)에 의한 무선충전이 종료되는 것을 의미함), 다시 자동으로 방전모드로 수행되도록 설정될 수 있다.

이는 안정적인 무선충전 및 전기자극발생부(112)로부터 전기자극신호의 발생에 전기적 간섭 현상이 발생되는 것을 방지하기 위함이다. 전기자극발생부(112)와 연결된 제2 채널라인(114)은 체내의 신경과 직접 접촉되어 연결되는 바, 미세한 전기적 간섭이 발생되는 경우에도, 사용자에게 악영향을 줄 수 있기 때문이다.

다만, 상기의 충전모드 동작은 설계자의 선택에 따라, 동시에 동작되도록 설계될 수 있다. 즉, 무선충전모듈(10)에 의한 제2 충전모드가 동작되는 중에도, 사용자의 움직임에 의해, 제1 충전모드가 동시에 동작될 수 있음을 의미한다. 이 경우에는, 무선충전모듈(10)에 의한 안정적인 충전을 유지하기 위해, 별도의 거치수단(또는 고정수단)이 사용될 수 있다. 거치수단은 소정의 탄성을 갖는 밴드형태로 구성됨으로써, 무선충전모듈(10)의 신체 밀착을 유지할 수 있다. 이에 따라, 사용자의 움직임이 있는 경우에도, 제2 충전모드가 끊김없이 연속적으로 수행될 수 있다.

즉, 본 발명은 무선충전모듈(10)과 에너지 하베스터모듈(130)이 함께 연결되더라도, 안전하고 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 시스템이다.

도 4 및 6을 참조하여 제어모듈(140)의 세부 기능을 설명한다.

제어모듈(140)은 체온센싱부(141), 전지온도센싱부(142), 전류센싱부(143), BMS부(144) 및 진동센서부(145)를 포함한다. 이들은 각각 미리 설정된 주기 또는 조건에 의해 수집의 대상이 되는 정보를 센싱하도록 구성된다.

즉, 제어모듈(140)에 의해, 사용자의 체온정보, 메인전원모듈(120)(바람직하게는 이차전지(122))의 온도정보, 에너지 하베스터모듈(130)의 전류정보, 사용자의 움직임을 정량화한 값인 진동정보 등을 수집하도록 구성된다. 이들 각각은 미리 설정된 기준값을 갖도록 구성되며, 제어모듈(140)은 수집된 값이 각각의 기준값 이상일 경우, 에너지 하베스터모듈(130)의 충전 동작을 중지하도록 지시한다. 즉, 제1 충전모드가 강제 중지되는 것이다.

상기의 기준값을 초과하는 경우, 에너지 하베스터모듈(130)의 에러 또는 고장일 가능성이 있는 바, 사용자의 신체를 보호하기 위해, 강제 중지시키는 것이다.

가령, 체온정보가 기준값 이상일 경우, 에너지 하베스터모듈(130)이 설치된 위치와 인접한 체내 조직이 손상될 위험이 있다. 단백질로 구성된 체내 조직의 변형이나 파괴를 야기시킬 수 있기 때문이다. 메인전원모듈(120)의 온도정보와 에너지 하베스터모듈(130)의 전류정보 역시 마찬가지의 이유이다.

진동센서부(145)는 사용자 신체의 진동(또는 움직임)을 감지하도록 구성된다. 이는 사용자의 신체 활동과 연동된다. 가령, 사용자가 취침 중인 경우에는 진동이 상대적으로 낮을 수 있으나, 사용자가 야외 활동 중인 경우에는, 진동이 상대적으로 높을 수 있고, 에너지 하베스터모듈(130)에 의한 발전이 활발하게 수행될 수 있다.

만약, 사용자가 무선충전모듈(10)을 통해 충전 중인 상태에서, 진동값이 기준값 이상일 경우에는 무선충전모듈(10)에 의한 제2 충전모드의 동작을 중지하도록 사용자에게 안내할 수 있다. 이는 사용자단말(20)을 통해서 알림이 제공될 수 있다.

무선충전모듈(10)은 안정적인 충전(제2 충전모드)을 위해, 별도의 신체고정장치를 착용한 상태에서 충전이 수행될 수 있는 바, 제2 충전모드가 수행 중인 경우에도, 사용자는 활발한 운동을 할 수 있다.

한편, 제어모듈(140)은 BMS부(144)를 포함할 수 있다. BMS부(144)는 메인전원모듈(120) 및 에너지 하베스터모듈(130) 각각에 구비될 수 있으나, 본원에서는 설명의 편의를 위해, 제어모듈(140)에 BMS부(144)가 포함되는 것으로 규정하였다.

BMS부(144)는 메인전원모듈(120) 및 에너지 하베스터모듈(130)의 상태를 모니터링한다. 특히, 메인전원모듈(120)의 충방전정보 및 잔존용량정보(State Of Charge, SOC)를 획득하여 사용자단말(20)로 전송하도록 구성된다.

사용자는 사용자단말(20)을 통해, 메인전원모듈(120)의 현재 상태를 확인하고, 무선충전이 필요한 시기, 전자약(110)의 잔여사용시간 등을 예측할 수 있다.

또한, BMS부(144)는 외부의 무선충전모듈(10)과 메인전원모듈(120)의 전기적 연결상태를 감지하며, 전기적 연결상태와 실시간 충전정보를 사용자단말로 제공하도록 구성될 수 있다. 무선충전의 특성상 무선충전모듈(10)의 무선전력공급부(미도시)와 메인전원모듈(120)의 무선전력수신부(124)가 상호 대응되도록 정위치하는 것이 필요하기 때문이다.

이들이 정위치되지 않는 경우, 사용자에게 이를 알려서, 사용자가 이들을 정위치하도록 강제하는 것이 필요하다.

또한, BMS부(144)는 메인전원모듈(120)의 잔존용량정보가 기준값 이하로 떨어질 경우, 에너지 하베스터모듈(130)에 의한 충전을 유도할 수 있다. 무선충전모듈(10)을 사용하기 어려운 경우, 사용자의 움직임을 유도함으로써, 에너지 하베스터모듈(130)에 의한 충전을 유도하는 것이다. 본 발명에 따른 전기적 신경자극 시스템은 메인전원모듈(120) 및 에너지 하베스터모듈(130)을 하이브리드 방식으로 사용하는 바, 상기의 알람은 매우 유용할 수 있다.

도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 전기적 신경자극 시스템을 이용한 방법을 설명한다. 전술한 내용과 중복되는 설명은 생략한다.

본 방법은 단계(S110) 내지 단계(S130)으로 구성될 수 있다.

단계(S110)는 전자약(110)으로부터 미리 설정된 전기자극이 사용자 신경에 인가되면서 메인전원모듈(120)의 방전모드가 수행되는 단계이다.

단계(S120)는 에너지 하베스터모듈(130)에 진동이 인가되어 자가발전이 수행되는 단계로서, 메인전원모듈(120)을 충전시키는 제1 충전모드가 수행되는 단계이다. 사용자가 일상 생활을 하면서, 자연스럽게 마찰소자모듈(132)에 진동이 인가됨에 따라, 비선형적인 전기에너지가 생산된다.

물론, 제1 충전모드는 단계(S110)의 방전모드와 동시에 수행될 수 있다.

단계(S130)는 메인전원모듈(120)의 잔존용량정보가 미리 설정된 기준값 이하로 떨어진 경우, 외부의 무선충전모듈로부터 무선으로 전원을 공급받는 제2 충전모드가 수행되는 단계이다. 여기서, 제2 충전모드가 수행되는 경우, 메인전원모듈(120)로부터 전자약으로 전원공급이 중지되는 방전중지모드로 동작될 수 있다.

전자약 외부에 연결되는 에너지 하베스터모듈

이하에서는 도 8 내지 15를 참조하여, 본 발명에 따른 에너지 하베스터모듈을 설명한다. 이하에서 설명하는 에너지 하베스터모듈(130)은 전술한 전기적 신경자극 시스템의 다른 실시예로 구분될 수 있다. 전술한 실시예는 에너지 하베스터모듈(200)이 전자약(110) 하우징에 함께 위치되는 구조를 전제로 설명하였으나, 이하에서 설명하는 다른 실시예는 에너지 하베스터모듈(230)이 전자약(210) 외부에 독립적으로 위치되는 구조이다.

전술한 개별 구성에 대한 중복된 설명은 생략하도록 한다.

도 8을 참조하면, 에너지 하베스터모듈(230)은 전자약(210) 외부에 위치된다는 점에서 전술한 제1 실시예와 구분될 수 있다. 즉, 에너지 하베스터모듈(230)의 수명이 다하거나, 교체가 필요한 경우, 전자약(210)과는 별개로, 에너지 하베스터모듈(230) 만을 교체하여 사용할 수 있는 구조이다.

참고로, 전자약(210) 하우징 내부에는 제어모듈(240) 및 메인전원모듈(220)이 구비된다.

에너지 하베스터모듈(230)은 발전기(233), 하베스터부(235) 및 케이스(231)를 포함한다.

케이스(231)는 에너지 하베스터모듈(230)의 외관을 형성하며, 내부 부품을 보호하는 구성이다. 강한 외력으로부터 내부를 보호하기 위해, 티타늄 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 케이스(231)의 일측에는 피드-스루(236)가 형성되며, 피드-스루(236)를 통해, 제1 채널라인(237)이 전자약(210) 방향으로 연장 형성된다.

발전기(233)는 마찰소자모듈(232)을 이용하여 비선형적 전기에너지를 발생시킨다. 내부의 마찰소자모듈(232)을 이용하여 전기에너지를 발생시키는 원리는 도 3에 설명된 바와 같다.

마찰소자모듈(232)은 마찰전기를 발생시킬 수 있는 공지된 어떠한 소자라도 모두 사용될 수 있다. 본 발명에 적용 가능한 소자 예시는 아래와 같다. 이는 단순한 예시인 바, 이에 제한되는 것은 아니다.

1) ZnO nanorods@conductive 카본 블랙 나노복합체 기반 유연 마찰전기를 통한 에너지 변환 및 저장 통합 시스템, 나노발전기와 슈퍼커패시터;

2) 마찰 전기를 통한 에너지 수확 및 환경 모니터링을 위한 유연한 전도성 직물의 Co/Zn 바이메탈 유기 프레임워크 타원형 나노시트;

3) Double-Layered 전극 효과 기반의 고성능 마찰전기 나노발전기;

4) 마찰 전기와 열전기를 결합하여, 고급 스마트 센서를 위한 마찰열을 통해 하이브리드 나노발전기(슬라이딩);

하베스터부(235)는 발전기(233)로부터 제공된 전기에너지를 미리 설정된 방식으로 임시 저장하는 구성이다. 발전기(233)의 마찰소자모듈(232)을 통해 발전된 비선형적 전기 에너지를 다단계로 구성된 다중 에너지 저장소(235a, 235b, 235c)에 순차적으로 저장시키고, 다중 에너지 저장소(235a, 235b, 235c)에 저장된 에너지를 공급한다. 이 때, 다중 에너지 저장소(220)는 배터리(또는 전지)와는 상이한 구성으로서, 전자회로와 일체로 구성된 에너지 저장 공간이 작은 에너지 저장소를 의미한다. 도 9에 도시된 하베스터부(235)는 예시적인 구조로써, 다중 에너지 저장소(235a, 235b, 235c)의 개수는 설계자의 선택에 따라 최적으로 설계될 수 있다.

하베스터부(235)는 제1 채널라인(237)과 연결되는 바, 제1 채널라인(237)을 통해 전자약(210) 측에 전기에너지를 실시간 제공할 수 있다.

도 10을 참조하면, 전자약(210)은 목표하는 신경(도 3에서는 예시적으로 '미주신경'이라 함)에 접촉하는 제2 채널라인(202)이 구비된다. 에너지 하베스터모듈(230)로부터 제공된 전기에너지는 이차전지(222)-제2 채널라인(202)을 거쳐 사용자 체내의 신경에 제공될 수 있다.

제1 채널라인(237)은 커넥터부(226)를 통해 연결될 수 있다. 커넥터부(226)를 기준으로, 전자약(210)과 연결된 부분을 제1 채널라인A(237a)라 하고, 에너지 하베스터모듈(230)과 연결된 부분을 제1 채널라인B(237b)로 구분한다.

제1 채널라인A(237a) 및 제1 채널라인B(237b)는 커넥터부(226)를 통해 상호 연결된다. 이와 같이, 커넥터부(226)를 구비함에 따라, 에너지 하베스터모듈(230)의 교체가 용이할 수 있다.

도 10에서는 에너지 하베스터모듈(230)의 변형예를 도시한다. 전기에너지가 제1 채널라인A(237a) 및 제1 채널라인B(237b)을 통해서만 공급되는 것이 아니라, 무선충전방식도 가능한 구성을 도시한다.

이를 위해, 에너지 하베스터모듈(230)에는 무선전력송신부(238)가 구비되며, 전자약(210) 측에는 무선전력수신부(224)가 구비될 수 있다. 여기서, 전자약(210) 측의 무선전력수신부(224)는 외부의 무선충전모듈(10)과 겸용으로 사용되는 것이 바람직하다. 무선충전모듈(10)에 의한 충전과는 달리, 에너지 하베스터모듈(230)에 의한 무선충전은 상시 충전이라는 점에서 구별된다. 물론, 충전 조건, 방식 및 주기 등은 관리자의 선택에 따라, 설정될 수 있다.

전자약(210)의 이차전지(222)는 커패시터부(226)와 연결될 수 있다. 커패시터부(226)는 이차전지(222)에 비해, 상대적으로 충전용량이 그리 크지는 않을 수 있다. 커패시터부(226)는 충전용량이 그리 크지 않아도, 물리적으로 전자를 흡착하기 때문에, 구조 변화도 없이 생체 내부에서 안정적으로 사용될 수 있다. 또한, 매우 빠른 시간에 전자의 방출이 가능한 바, 고출력에 적용될 수 있는 바, 전자약(210)의 대체전원 또는 보조전원으로 매우 효과적으로 사용될 수 있다.

도 11에는 증폭댐퍼(233c)가 구비된 발전기(233)를 개략적으로 도시한다.

증폭댐퍼(233c)는, 미리 연산된 위치에 결합되되, 사용자의 움직임을 고려하여, 마찰소자의 미세 움직임을 지속시키도록 형성된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 마찰소자모듈의 최외곽층에 형성될 수 있으며, 복수로 형성되되, 일정 간격에 대응되는 크기로 형성될 수 있다.

사람은 평상시 여러 가지 움직임을 통해 활동을 하게 되는데, 이러한 일상 생활에서의 움직임에 의해 증폭댐퍼(233c)가 부착된 발전기(233)는 발전을 하게 되며, 움직임이 일어나는 동안 또는 움직임이 정지되는 순간에도 증폭 댐퍼(233c)는 이격된 공간 내에서 마찰소자의 미세 움직임을 지속시켜 발전 특성을 극대화시킬 수 있다.

도 11에 도시된 바와 같이, 발전기(233)는 멀티 레이어로 구성될 수 있다. 멀티 레이어 중 가장 기본인 이중 레이어를 예로 들어 설명한다.

도 11의 멀티 레이어인 이중 레이어는 제1 레이어(233a) 및 제2 레이어(233b)로 구분된다. 제1 및 제2 레이어(233a, 233b)의 접촉시 마찰에 의해 전기에너지가 발생된다.

도 12를 참조하면, 사용자의 움직임을 고려한 발전기의 배치형태를 도시한다. 도 12에 도시된 형태는 사용자의 생활패턴을 고려한 것으로써, 자주 걷는 사람의 경우, 걷는 동작에 최적화된 발전기 배치형태를 제공하는 것이 바람직하다.

즉, 외력이 주로 인가되는 방향(힘의 방향을 의미함)과 발전기(233) 내의 멀티 레이어(233a, 233b)의 배치방향을 상호 일치시킴으로써, 인가된 외력이 멀티 레이어(233a, 233b)의 마찰에 최대한 사용되도록 유도한다.

이러한 경사각도(θ)는 사용자의 보폭을 기반으로 연산될 수 있다. 사용자가 걷는 상황에서, 사용자의 보폭은 사용자 몸의 경사에 영향을 주기 때문이다. 사용자마다 신체조건이 상이하며, 보폭 역시 상이한 바, 관리자는 해당 사용자에 최적화된 경사각도(θ)를 설정할 수 있다.

또한, 멀티 레이어의 면적은, 사용자의 움직임 빈도 및 시간을 고려하여 결정될 수 있다. 움직임이 많은 사용자의 경우, 멀티 레이어의 면적을 상대적으로 작게 형성하여도, 충분히 원하는 충전용량을 확보할 수 있다. 움직임이 적은 사용자의 경우, 멀티 레이어의 면적을 크게 형성함으로써, 마찰 면적을 증가시킬 수 있다. 멀티 레이어의 면적은 길이(l)와 폭(d)의 조절을 통해 수행될 수 있다.

경사각도(θ) 및 레이어의 면적은 스마트워치 등을 통해, 사용자의 걸음특성, 행동특성 자료를 확보하여, 사용자에게 최적화된 값으로 설정되는 것이 바람직하다.

도 13은 본 발명인 에너지 하베스터모듈이 적용된 전기적 신경자극 시스템의 개략적인 모식도이다. 도 3에 도시된 개념도와 매칭된다.

전자약(210)은 2개의 채널라인이 결합되도록 형성된다. 에너지 하베스터모듈(230)과 연결되는 제1 채널라인(237)과, 신경과 결합되는 제2 채널라인(202)으로 구성된다. 제2 채널라인(202)의 팁(202a)은 신경 부위와 접촉한다.

도 13에 도시된 형태는 본 발명에 따른 에너지 하베스터모듈(230) 뿐만 아니라, 전자약(210)의 예시적 형태를 도시하는 바, 다른 형태 및 크기로 설계될 수 있다. 에너지 하베스터모듈(230)의 형태 역시, 평면을 기준으로 원형으로 형성될 수도 있다.

도 14를 참조하여, 멀티 레이어(230')의 변형예를 설명한다. 도 14에 도시된 변형예는 상호 대면하는 측(마찰하는 측을 의미함)에 방향성을 부여한 구조이다. 대면하는 면에는 각각 단위마찰소자(239a, 239b)가 복수로 형성된다.

상부의 제1 레이어(233a) 및 제2 레이어(233b) 각각에 형성된 단위마찰소자(239a, 239b)는 상호 대응되는 형상이다. 단위마찰소자(239a, 239b)는 소정의 경사를 갖도록 형성된다. 이는 전술한 경사각도(θ)와 동일한 개념으로 볼 수 있다. 사용자 신체의 각도를 고려하여, 단위마찰소자(239a, 239b)의 경사각을 설계한 것이다. 단위마찰소자(239a, 239b)의 길이(a), 개수, 위치 및 간격 등은 설계자의 선택에 따라, 사용자에게 최적화된 형태로 구성될 수 있다.

여기서, 멀티 레이어(230') 및 케이스(231) 사이의 잔여거리(b)는 단위마찰소자(239a, 239b)의 빗변길이를 고려한 것이다. 즉, 잔여거리(b)는 슬라이딩을 간섭하지 않을 정도로 여유롭게 형성되는 것이 바람직하다.

전자약 모니터링 시스템

이하에서는, 도 16 내지 22를 참조하여, 본 발명에 따른 전자약 모니터링 시스템(300)을 설명한다. 전술한 세부 구성들에 대한 중복된 설명은 생략한다.

전자약 모니터링 시스템(300)은 전자약(310), 메인전원모듈(320), 에너지 하베스터모듈(330) 및 제어모듈(340)로 구성된다.

제어모듈(340)은 전자약(310), 메인전원모듈(320) 및 에너지 하베스터모듈(330)의 상태확인 및 동작제어를 수행한다. 또한, 사용자단말(20)과 무선통신이 가능한 통신부(341)가 구비된다. 통신부(341)는 네트워크망과 무선/유선 연결되며, 획득한 정보를 사용자단말(20)로 전송하도록 구성된다.

본 발명의 무선통신 관련하여, 본 발명은 PCS(Personal Communication System), GSM(Global System for Mobile communications), PDC(Personal Digital Cellular), PHS(Personal Handyphone System), PDA(Personal Digital Assistant), IMT(International Mobile Telecommunication)-2000, CDMA(Code Division Multiple Access)-2000, W-CDMA(W-Code Division Multiple Access), Wibro(Wireless Broadband Internet) 단말, 스마트폰(smartphone), 스마트 패드(smartpad), 타블렛 PC(Tablet PC) 등과 같은 모든 종류의 핸드헬드(Handheld) 기반의 모든 무선통신장치 및 거치형 PC, 노트북과 같은 컴퓨팅 장치가 이용될 수 있고, 상기의 분산 어플리케이션은 컴퓨터 프로그램 형태로 구현되며 읽고 쓰기가 가능한 기록매체에 기록되어 단말기에 탑재될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 시스템은, 네트워크를 기반으로 하는 바, 네트워크는 단말들 및 서버들과 같은 각각의 노드 상호 간에 정보 교환이 가능한 연결 구조를 의미한다. 이러한 네트워크(network)의 일 예에는 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 네트워크, LTE(Long Term Evolution) 네트워크, WIMAX(World Interoperability for Microwave Access) 네트워크, 인터넷(Internet), LAN(Local Area Network), Wireless LAN(Wireless Local Area Network), WAN(Wide Area Network), PAN(Personal Area Network), 블루투스(Bluetooth) 네트워크, 위성 방송 네트워크, 아날로그 방송 네트워크, DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 네트워크, WiFi 등이 포함되나, 이에 한정되지는 않는다.

도 16을 참조하면, 본 발명은 제어모듈(340)을 통해 획득된 정보를 사용자단말(20)에 전송하는 것을 특징으로 한다. 통신부(341)는 양방향 통신이 가능한 트랜시버(transceiver)로 구성될 수도 있다.

도 17을 참조하면, 메인전원모듈(320)의 이차전지(322)는 보조전원부(324)와 결선되어 전력을 제공받도록 구성될 수 있다. 보조전원부(324)는 캐패시터를 포함한다. 변형예로써, 보조전원부(324)는 통신부(341)와 결선될 수 있다. 이 때, 통신부(341)는 상용 Bluetooth Low Energy(BLE) 보드로 구성되어 사용자단말(20)과 근거리 통신이 수행되도록 구성될 수 있다.

도 18을 참조하여, 본 발명의 제어모듈(340)을 설명한다.

제어모듈(340)은 제1 상태관리부(342), 제2 상태관리부(343), 정상동작판단부(344) 및 무선충전연산부(345)를 포함하며, 이들은 모두 통신부(341)와 연결되어 상호 정보를 주고받도록 구성된다.

제1 상태관리부(342)는 메인전원모듈(320)의 상태를 관리하며, 메인전원모듈(320)의 충방전정보 및 잔존용량정보(State Of Charge, SOC)를 획득하여 저장하도록 구성된다. 메인전원모듈(320)의 상태는, 메인전원모듈(320)에 포함된 이차전지(322)의 모든 상태를 의미하는 광범위한 개념이다.

일 예시로써, 제1 상태관리부(342)는, 센싱된 잔존용량정보가 미리 설정된 기준값 이하일 때, 메인전원모듈(320)이 보조전원부(324)로부터 전력을 공급받도록 제어할 수 있다. 이를 위해, 보조전원부(324)의 잔존용량정보 역시 제1 상태관리부(342)에 의해 실시간 확인 가능하도록 설계되는 것이 바람직하다.

제2 상태관리부(343)는 에너지 하베스터모듈(330)의 상태를 관리하며, 에너지 하베스터모듈(330)의 발생전력정보를 획득하여 저장하도록 구성된다. 에너지 하베스터모듈(330)은 사용자의 움직임에 의해 자가발전을 수행하는 바, 자가발전 수행이력이 자동으로 저장된다. 역으로, 제2 상태관리부(343)를 통해, 사용자의 움직임을 역추정이 가능하다.

정상동작판단부(344)는 메인전원모듈(320) 및 에너지 하베스터모듈(330)의 정상동작을 판단한다. 메인전원모듈(320) 및 에너지 하베스터모듈(330)의 정상동작에 대한 정보는 제어모듈(340)에 미리 규정되어 있다.

본 발명은 사용자의 신경에 전기적신호를 인가하는 전자약을 포함하는 바, 사용자 신체보호 및 사고발생을 방지하기 위해, 정상동작을 판단하는 것이 매우 중요한 기능이다.

정상동작을 판단하는 일 예시로는, 메인전원모듈(320)의 잔존용량정보 및 에너지 하베스터모듈(330)의 발생전력정보를 이용하여, 미리 설정된 방식으로 통신부(341)와 사용자단말(20)의 무선통신 최대작동시간을 연산하여 정상동작을 판단하는 것이 있다.

메인전원모듈(320)의 잔존용량정보 및 에너지 하베스터모듈(330)의 발생전력정보가 충분함에도 불구하고, 통신부(341)와 사용자단말(20)의 무선통신 최대작동시간이 현저하게 낮은 값으로 연산된 경우, '비정상'으로 판단할 수 있다. 메인전원모듈(320) 및 에너지 하베스터모듈(330) 이외의 다른 소자에서 많은 전력이 소모됨을 의미할 수도 있고, 아니면, 무선통신오류로써, 정확한 정보의 송수신이 불가능한 상태일 수 있기 때문이다.

이러한 문제를 바로 해결하는 것도 중요하나, 사용자에게 정상동작 여부를 신속하게 제공하는 것 역시 매우 중요하다. '비정상'일 경우, 사용자는 즉시, 전자약(310)의 동작을 강제 중지하도록 하는 것이다.

제어모듈(340)은 메인전원모듈(320)의 무선충전시기를 연산하여 사용자단말(20)로 제공하는 무선충전연산부(345)를 더 포함한다.

본 발명의 전자약(310)의 잔존용량정보는 사용자 신체보호를 위한 가장 중요한 정보이다. 전자약(310)의 정상동작과 직결되기 때문이다.

도 19를 참조하여 설명하면, 무선충전연산부(345)는 메인전원모듈(320) 및 에너지 하베스터모듈(330)로부터 각각 해당 정보를 제공받는다. 실시간 정보를 제공받는 것이 바람직하나, 소정의 주기 및 조건을 설정할 수 있다.

메인전원모듈(320)의 전력소모량, 메인전원모듈(320)의 잔존용량정보 및 에너지 하베스터모듈(330)의 발생전력정보를 이용하여, 메인전원모듈(320)의 무선충전시기를 판단한다.

도 19에는 일 예시적인 방법이 도시된다.

무선충전연산부(345)는 현재 메인전원모듈(320)의 잔존용량정보를 기준으로, '1차예상 사용가능시간'을 연산한다. 그 후, '1차예상 사용가능시간'을 기준으로, 에너지 하베스터모듈(330)의 예상발생전력정보를 연산하고, 이를 기반으로 2차예상 사용가능시간을 판단한다.

만약, 2차예상 사용가능시간이 소정의 값 이하일 경우, 절전모드가 필요한지 재판단을 수행한다. 절전모드의 수행은 사용자의 선택에 의해 설정되는 것이 바람직하다. 사용자가 현재 절전모드가 수행되는 중임을 인지하는 것이 중요하기 때문이다.

이를 위해, 제1 및 제2 상태관리부(342, 343)는, 획득된 정보를 시간정보와 연동하여 모두 저장하도록 구성될 수 있다.

이 때, 무선충전연산부(345)는 시간을 기준으로, 전자약(310)에서 인가되는 전기자극에 사용되는 전력소모량 및 사용자의 움직임에 따른 에너지 하베스터모듈(330)의 발생전력정보를 미리 설정된 방식으로 분석하여, 메인전원모듈(320)의 무선충전시기를 판단할 수 있다.

즉, 과거의 사용이력을 기반으로, 메인전원모듈(320)의 무선충전시기를 판단하는 것을 의미한다. 1일인 24시간을 기준으로, 특정시간에서의 전기자극에 사용되는 전력소모량 및 발생전력정보의 통계를 기반으로 예측하는 것이다. 예측 방식은 회귀분석과 같은 통계적 기법이 사용될 수도 있다.

도 20을 참조하면, 본 발명의 제어모듈(410)에서 수집되는 세부정보들을 알 수 있다. 이러한 세부정보들은 사용자단말(20)에서 확인 가능하도록 구성된다. 사용자단말(20)이 스마트폰/스마트테블릿인 경우, 설치된 애플리케이션을 통해 확인 가능하다.

제어모듈(410)은 체온센싱부(340a), 전지온도센싱부(340b), 전류센싱부(340c), 조직온도센싱부(340d), 혈류량센싱부(340e) 및 피드백신호센싱부(340f)로부터 해당 정보를 제공받는다.

구체적으로, 체온센싱부(340a)에 의해 측정된 사용자의 체온정보, 전지온도센싱부(340b)에 의해 측정된 메인전원모듈(320)의 온도정보, 전류센싱부(340c)에 의해 측정된 에너지 하베스터모듈(330)의 전류정보, 조직온도센싱부(340d)에 의해 측정된 전자약(310)이 설치된 인접조직의 온도정보, 혈류량센싱부(330e)에 의해 측정된 전자약(310)이 설치된 인접혈관의 혈류량정보를 사용자단말(20)에 제공하도록 구성된다.

또한, 제어모듈(340)은 전기자극발생부(312)에 인가한 전기적신호에 대한 피드백신호를 분석하도록 구성될 수 있다. 이러한 피드백신호의 분석을 통해, 신경의 손상 여부 뿐만 아니라, 전기적신호의 전달상태까지 확인 가능하다.

본 발명의 변형예로, 제어모듈(340)은 전기자극설정부(347)를 더 포함할 수 있다. 전기자극설정부(347)는 의료기관의 전자처방과 관련된 구성이다.

전자약(310)의 전기적신호는 세기, 패턴, 종류 등의 다양한 요소로 구성될 수 있다. 이를 '데이터세트'라고 명명할 수 있다. 이러한 데이터세트는 처방권한이 있는 관리자(전문가)에 의해서만 설정될 수 있다. 전자약(310)을 통해 신경 자극을 하는 행위는 의료행위의 범주 내에 포함될 수 있기 때문이다.

진료 및 전자처방은 사용자단말(20)을 통해 원격으로 수행될 수 있다. 사용자가 관리자로부터 새로운 전자처방을 제공받은 경우, 상기 전자처방에 대응하여 상기 전기자극의 강도, 주기 및 패턴을 포함하는 동작내용이 갱신된다. 즉, 새로운 데이터세트가 생성되며, 새로운 데이터세트의 내용대로 전기자극발생부(312)는 전기적신호를 인가하도록 구성된다.

도 22를 참조하면, 본 발명은 사용자단말(20) 및 서버를 통해 통신하는 구성을 제공한다. 전술한 바와 같이, 사용자단말(20)에 설치된 애플리케이션을 통해 수행될 수 있다.

구체적으로, 사용자단말(20)로부터 로그인 요청이 수신되면, 메인전원모듈(320), 에너지 하베스터모듈(330) 및 전자약(310) 각각에 대한 사용자 인터페이스를 제공한다. 사용자는 이 중 어느 하나를 선택할 수 있으며, 선택된 항목에 대한 상태정보를 실시간으로 확인할 수 있다.

먼저, 사용자에 의해 메인전원모듈(320)에 대한 사용자 인터페이스가 선택된 경우, 제1 상태관리부(342)로부터 획득된 메인전원모듈(320)의 충방전정보 및 현재의 잔존용량정보를 제공한다.

사용자에 의해 에너지 하베스터모듈(330)에 대한 사용자 인터페이스가 선택된 경우, 제2 상태관리부(343)로부터 획득된 에너지 하베스터모듈(330)의 발생전력정보 및 발전효율정보를 제공한다.

사용자에 의해 전자약(310)에 대한 사용자 인터페이스가 선택된 경우, 제3 상태관리부(344)로부터 획득된 전기자극정보를 시간순으로 제공하며, 신경에 인가된 전기자극의 피드백신호를 제공한다. 즉, 전기자극에 대한 이력정보를 제공하는 것을 의미한다.

본 발명에서 상기 실시형태는 하나의 예시로서 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 하고 동일한 작용효과를 이루는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

10: 무선충전모듈
20: 사용자단말
110, 210, 310: 전자약
120, 220, 320: 메인전원모듈
122, 222, 322: 이차전지
130, 230, 330: 에너지 하베스터모듈
140, 240, 340: 제어모듈

Claims (11)

1. 전기적 신경자극 시스템으로서,
   피하에 매립되며, 미리 설정된 전기자극을 신경에 인가하는 전자약;
   상기 전자약에 전원을 제공하는 메인전원모듈로서, 외부의 무선충전모듈로부터 무선으로 전원을 공급받아 반복적인 충전이 가능한 이차전지로 구성된, 메인전원모듈; 및
   마찰소자모듈을 이용하여 실시간 자가발전을 하도록 구성된 에너지 하베스터모듈로서, 상기 메인전원모듈과 전기적으로 연결되어 상기 메인전원모듈을 보조적으로 충전하는, 에너지 하베스터모듈; 을 포함하고,
   상기 에너지 하베스터모듈은,
   상기 마찰소자모듈을 이용하여 전기에너지를 발생시키는 발전기를 포함하고,
   상기 발전기는,
   적어도 일부가 소정의 경사를 가지는 멀티 레이어로 구성된,
   전기적 신경자극 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 메인전원모듈은,
   상기 에너지 하베스터모듈로부터 전원을 공급받아 보조적으로 충전하는 제1 충전모드; 및
   외부의 무선충전모듈로부터 무선으로 전원을 공급받아 충전하는 제2 충전모드; 를 포함하는 충전방식으로 구성되며,
   상기 제1 및 제2 충전모드는,
   상호 택일적으로 동작하도록 구성되되, 상기 제2 충전모드가 상기 제1 충전모드에 우선하도록 설정된,
   전기적 신경자극 시스템.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 메인전원모듈은,
   상기 제1 충전모드로 동작시에는 방전모드로 동작되어 미리 설정된 전기자극을 신경에 인가하도록 구성되며,
   상기 제2 충전모드로 동작시, 상기 전자약으로 전원공급이 중지되는 방전중지모드로 동작되되, 상기 제2 충전모드가 종료되면, 상기 전자약에 전원을 공급하는 방전모드로 동작되는,
   전기적 신경자극 시스템.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 에너지 하베스터모듈의 전기적 용량은,
   상기 메인전원모듈의 소모 전력량을 기준으로, 20 내지 30%의 전력량을 생성할 수 있는 용량으로 구성된,
   전기적 신경자극 시스템.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 메인전원모듈의 충방전 및 상기 에너지 하베스터모듈에 의한 충전을 제어하는 제어모듈; 을 더 포함하며,
   상기 제어모듈은,
   가. 체온센싱부에 의해 측정된 사용자의 체온정보를 이용하여, 상기 체온정보가 미리 설정된 기준값 이상일 경우;
   나. 전지온도센싱부에 의해 측정된 상기 메인전원모듈의 온도정보를 이용하여, 상기 온도정보가 미리 설정된 기준값 이상일 경우; 및
   다. 전류센싱부에 의해 측정된 상기 에너지 하베스터모듈의 전류정보를 이용하여, 상기 전류정보가 미리 설정된 기준값 이상일 경우; 중 적어도 어느 하나에 해당할 경우, 상기 에너지 하베스터모듈에 의한 충전을 중단하도록 설정된,
   전기적 신경자극 시스템.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제어모듈은,
   사용자단말과 통신 가능하도록 연결된 BMS부를 포함하며,
   상기 BMS부는,
   상기 메인전원모듈의 충방전정보 및 잔존용량정보(State Of Charge, SOC)를 획득하여 상기 사용자단말로 전송하도록 구성된,
   전기적 신경자극 시스템.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 BMS부는,
   외부의 무선충전모듈 및 상기 메인전원모듈의 전기적 연결상태를 감지하며, 상기 전기적 연결상태와 실시간 충전정보를 사용자단말로 제공하는,
   전기적 신경자극 시스템.
   
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 BMS부는,
   상기 메인전원모듈의 잔존용량정보가 미리 설정된 기준값 이하로 떨어지면, 상기 에너지 하베스터모듈에 의한 충전을 유도하는 알람을 사용자단말로 제공하는,
   전기적 신경자극 시스템.
   
9. 청구항 5에 있어서,
   상기 제어모듈은,
   사용자 신체의 진동을 감지하는 진동센서부를 더 포함하며,
   상기 진동센서부를 통해 센싱된 진동값이 미리 설정된 기준값 이상일 경우,
   상기 메인전원모듈이 외부의 무선충전모듈에 의해 충전 중인 상태이면, 상기 충전을 중지하고, 상기 에너지 하베스터모듈에 의해 상기 메인전원모듈을 충전하도록 제어하는,
   전기적 신경자극 시스템.
   
10. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 따른 전기적 신경자극 시스템을 이용하는 방법으로서,
    (a) 메인전원모듈의 방전모드가 수행되는 단계;
    (b) 에너지 하베스터모듈에 진동이 인가되어 자가발전이 수행되는 단계로서, 상기 메인전원모듈을 충전시키는 제1 충전모드가 수행되는 단계; 및
    (c) 상기 메인전원모듈의 잔존용량정보가 미리 설정된 기준값 이하로 떨어진 경우, 외부의 무선충전모듈로부터 무선으로 전원을 공급받는 제2 충전모드가 수행되는 단계; 를 포함하는,
    방법.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 제2 충전모드가 수행되는 경우,
    상기 메인전원모듈로부터 상기 전자약으로 전원공급이 중지되는 방전중지모드로 동작되는,
    방법.

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